Wyznaczanie stężenia roztworu cukru za pomocą polarymetru.

Światło ma dualną, korpuskularno-falową naturę. Zjawiska dyfrakcji i interferencji wskazują na falową naturę światła, zjawisko polaryzacji świadczy zaś o tym, że fale świetlne są poprzeczne.

Polarymetr jest to urządzenie służące do pomiaru skręcenia płaszczyzny polaryzacji. Wyróżniamy polaryzację przez odbicie i załamanie, przez podwójne załamanie oraz przez selektywną absorbcję. Obserwujemy także polaryzację kołową, w której koniec wektora elektrycznego nie wykonuje drgań tam i z powrotem, ale ma ustaloną wartość i zakreśla okrąg wokół kierunku rozchodzenia się.

Falą elektromagnetyczną nazywamy zaburzenie (drgania) pola elektromagnetycznego, rozchodzące się w przestrzeni ze skończoną prędkością C (w próżni C=3*108 m/s).

Zmianę w czasie wartości natężenia pola elektrycznego E wzdłuż kierunku X rozchodzenia się fali o długości X wyraża równanie:

E=E0sin[2П * (ct - x/x + δ)]

Jeżeli wektor elektryczny drga tylko w jednej płaszczyźnie, zwaną płaszczyzną drgań, to światło jest liniowo spolaryzowane.

W 1812 Brewster stwierdził, że maksimum polaryzacji otrzymuje się wtedy, gdy wiązka odbita i załamana tworzą ze sobą kąt 90o. z praw odbicia i załamania światła można wyprowadzić, że zachodzi to wówczas, gdy kąt padania ά światła jest równy kątowi Brewsera άB spełniającemu warunek:

tg άB=n2,1

n2,1- współczynnik załamania ośrodka 2 względem 1.

Wartość kąta Brefstera wynosi około 57o przy odbiciu światła od powierzchni szkła (n=1,5) i 53o przy odbiciu światła od powierzchni wody (n=1,33) .

Kąt skręcania płaszczyzny polaryzacji światła jest proporcjonalny do długości drogi przebytej przez światło substancji. W przypadku roztworu kąt skręcania α dla danej barwy światła i długości drogi L jest proporcjonalne do stężenia d substancji aktywnej w roztworze.

α = adl

Droga l jest równa długości rurki R. Zdolność skręcającą α możemy wyznaczyć przez pomiar kąta skręcania α1 roztworu o znanym stężeniu d1 w rurce o długości l:

a= α1/ld1

Znajomość zdolności skręcającej pozwala wyznaczyć mierzone stężenie d2 roztworu tego samego rodzaju, jeśli zmierzymy kąt skręcania α2:

d2= α2/dl

Polarymetria opiera się na pomiarze kąta skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego przez roztwór substancji oznaczanej.

Liniowo spolaryzowane światło, przy przejściu przez niektóre kryształy oraz roztwory tzw. substancji optycznie czynnych, doznają skręcania płaszczyzny polaryzacji. Dla substancji tych wyprowadza się tzw. skręcalność właściwą [φ] zdefiniowaną wzorem Biota: [φ] = φ/c·l gdzie: c - stężenie roztworu, l - długość drogi promienia w roztworze, φ - kąt skręcania. W praktyce kąt φ mierzymy jako różnicę wskazań φ_c i φ_o analizatora w przypadkach: gdy roztwór o stężeniu c skręca płaszczyznę polaryzacji o kąt φ_c oraz gdy zamiast roztworu na drodze promienia znajduje się czysty rozpuszczalnik, wtedy obserwowany kąt wynosi φ_o. Skręcanie płaszczyzny polaryzacji jest więc równocześnie miarą stężenia roztworu.

Substancje optycznie czynne występują w dwóch postaciach, wykazujących tą samą właściwą zdolność skręcającą [φ], lecz skręcających w przeciwnych kierunkach. Stąd substancje dzielimy na prawo- i lewoskrętne. Kryształy prawo- i lewoskrętne tworzą tzw. odmiany enancjomorficzne ( będące wzajemnym lustrzanym odbiciem ).

W substancjach optycznie czynnych występuje tzw. węgiel asymetryczny, tzn. taki, w którym każda z wartościowości wysycana jest przez inny atom lub grupę atomów. Substancjami optycznie czynnymi są: kwas mlekowy, alkohol amylowy, kwas winny, cukry ( sacharoza, glukoza ) itp., jak również niektóre związki azotu, krzemu i fosforu.

Urządzeniem służącym do pomiaru skręcania płaszczyzny polaryzacji światła w substancjach optycznie czynnych jest polarymetr ( Pokazany schematycznie na poniższym rysunku )

Polarymetr składa się z polaryzatora, przyrządu półcieniowego zmieniającego płaszczyznę części pola widzenia o niewielki kąt ( celem zwiększenia precyzji odczytu - wykorzystując dużą wrażliwość oka na niewielkie nawet różnice oświetlenia poszczególnych części pola widzenia ), rurki zawierającej badaną ciecz lub roztwór, analizatora połączonego z kątomierzem i lunety.

Na skrzyżowane nikole rzucamy światło . Pole widzenia jest podzielone na połowy (jasną i ciemną). Należy wyregulować analizatorem tak aby nie było różnicy pomiędzy polem A i B.

Po wprowadzeniu ciała optycznie czynnego płaszczyzna polaryzacji ulega skręceniu w tym samym kierunku o taki sam kąt w obydwu częściach pola widzenia. Stąd celem ponownego uzyskania równości oświetlenia całego pola widzenia, analizator skręcić musimy o kąt, równy kątowi skręcania płaszczyzny polaryzacji. Przyrząd półcieniowy pozwala odczytać położenie płaszczyzny polaryzacji z dokładnością do 0,1° lub większą.